中科院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品。 中科院科技攝影聯盟 供圖
中新網北京9月24日電 (記者 孫自法)二氧化碳能合成澱粉嗎？對這個貌似天方夜譚的問題，中國科學家歷時6年多科研攻關給出肯定和詳細的答案。繼上世紀60年代在世界上首次完成人工合成結晶牛胰島素之後，中國科學家又在人工合成澱粉方面取得重大顛覆性、原創性突破——國際上首次在實驗室實現二氧化碳到澱粉的從頭合成。
由中國科學院天津工業生物技術研究所(中科院天津工業生物所)主導完成的人工合成澱粉重大科技突破進展成果論文，北京時間9月24日凌晨在著名國際學術期刊《科學》上線發表，從而為從二氧化碳到澱粉生產的工業車間製造“打開了一扇窗”。
中科院天津工業生物技術研究所科研人員在實驗室展示人工合成澱粉樣品。 中科院科技攝影聯盟 供圖
這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實現邁進一大步，為創建新功能的生物系統提供新的科學基礎，也將為未來從二氧化碳合成澱粉開闢嶄新道路，使未來澱粉的工業化生物製造成為可能。
業內專家稱，如果未來二氧化碳人工合成澱粉的系統過程成本能夠降低到與農業種植相比具有經濟可行性，將會節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農藥、化肥等對環境的負面影響，推動形成可持續的生物基社會，提高人類糧食安全水平。同時，最新研究成果實現在無細胞系統中用二氧化碳和電解產生的氫氣合成澱粉的化學-生物法聯合的人工澱粉合成途徑(ASAP)，為推進“碳達峰”和“碳中和”目標實現的技術路線提供一種新思路。
中科院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品。 中科院科技攝影聯盟 供圖
中科院天津工業生物所介紹說，澱粉是糧食最主要的成分，同時也是重要的工業原料。目前，澱粉主要由玉米等農作物通過自然光合作用固定二氧化碳生產，澱粉合成與積累涉及60餘步代謝反應以及復雜的生理調控，理論能量轉化效率僅為2%左右。農作物的種植通常需要較長周期，需要使用大量土地、淡水等資源以及肥料、農藥等農業生產資料。糧食危機、氣候變化是人類面臨的重大挑戰，糧食澱粉可持續供給、二氧化碳轉化利用是當今世界科技創新的戰略方向。而不依賴植物光合作用，設計人工生物系統固定二氧化碳合成澱粉，是影響世界的重大顛覆性技術。
該所自2015年起聚焦人工合成澱粉與二氧化碳生物轉化利用，開展需求導向科技攻關，集聚所內外創新資源，加強“學科-任務-平台”整合，實現各方科研力量的有機融合和高效協同，組建當初平均年齡30周歲的優秀青年科學家團隊，持續6年深耕人工合成澱粉項目研發。
青年科學家團隊從頭設計出11步反應的非自然二氧化碳固定與人工合成澱粉新途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到澱粉分子的全合成。他們採用一種類似“搭積木”的方式，聯合中科院大連化學物理研究所，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一(C1)化合物，然後通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚醣反應原理將碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物，最後通過生物途徑優化，將碳三化合物又聚合成碳六(C6)化合物，再進一步合成直鍊和支鏈澱粉(Cn化合物)。
該團隊還通過耦合化學催化與生物催化模塊體系，創新高密度能量與高濃度二氧化碳利用的生物過程技術，通過反應時空分離優化，解決人工途徑中底物競爭、產物抑制、熱/動力學匹配等問題，擴展人工光合作用的能力。按照目前技術參數，在能量供給充足條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝土地玉米種植的澱粉產量(按中國玉米澱粉平均畝產量計算)。這一成果使澱粉生產的傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能，並為二氧化碳原料合成複雜分子開闢新的技術路線。
中國科學家在澱粉人工合成方面取得的重大顛覆性成果，也獲中外同行專家高度評價，認為這是“典型的0到1原創性突破”，是“擴展並提升人工光合作用能力前沿研究領域的重大突破，是一項具有‘頂天立地’重大意義的科研成果”“不僅對未來的農業生產、特別是糧食生產具有革命性的影響，而且對全球生物製造產業的發展具有里程碑式的意義”“將在下一代生物製造和農業生產中帶來變革性影響”。 (完)
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